Li含量对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金组织与力学性能的影响

刘松良

(海军驻沈阳地区航空军事代表室 冶金组，沈阳 110034)

机械与材料工程

Li含量对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金组织与力学性能的影响

刘松良

(海军驻沈阳地区航空军事代表室 冶金组，沈阳 110034)

通过对不同Li含量的Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金进行熔炼、制坯和反向挤压，研究了Li含量对其合金组织及力学性能的影响。结果表明：Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金中Li添加1.5wt.%左右时，Li主要固溶在α-Mg中或以Mgx(Gd,Y,Li)y化合物相析出；当Li添加量提高到3～4wt.%左右时，Mgx(Gd,Y,Li)y化合物数量增加且同时逐渐有β相析出。添加Li导致Mg-8Gd-2Y-0.6Zr挤压态合金伸长率明显降低，但可显著降低挤压温度；添加Li 1.5wt.%时，可提高挤压材强度且强化效果随挤压温度降低而显著提高，350 ℃挤压时的抗拉强度最大，为362.5 MPa，而屈服强度和伸长率最小，分别为235 MPa和5.3%；Li添加量增加至3～4wt.%时，伸长率未显著提高但合金严重软化，不过可实现200 ℃温挤压。

Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金；Li含量；微观组织；力学性能

镁合金是最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3，钢的1/4。同时镁合金还具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减震、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点，在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值，被誉为“21世纪绿色工程材料”[1-4]。而稀土镁合金作为一种高强耐热镁合金，在航空航天领域具有广阔的应用前景[5]。其中，Mg-Gd-Y系合金是在Mg-Y和Mg-Gd二元系合金的研究基础上发展起来的，由于其具有较高的高温力学性能而越来越受到研究者广泛的重视。

早在1961年，Mizer等[6]就报道了二元Mg-Y合金富Mg区相图，同时提到了时效析出相的形貌特征，后来，Mizer等[7]又进一步研究了Mg-Y合金的相析出行为。1994年Rokhlin等[8]报道了Mg-Gd合金的力学性能和微观组织特征。在随后的研究中，Rokhlin等[9]和Kamado等[10]发现单纯加入大量稀土Gd的镁合金成本太高，密度更大和室温伸长率过低，因此有必要添加其它更轻、更廉价的合金元素来降低Gd的用量，以开发一种价格相对便宜，拥有更高室温和高温强度的镁合金。为此，Rokhlin等使用了价格较为便宜、密度较小、在镁中固溶度较低的Y代替部分Gd，开发出Mg-Gd-Y系合金。到目前为止，Mg-Gd-Y系合金是当前强度最高、耐热性最好的镁合金，但其较高的稀土合金化也导致其密度偏高、热裂性强、塑性变形能力差等问题的出现。众所周知，Mg-Li基合金是当前最轻的金属结构材料，Li元素的添加能够改变镁合金的晶体结构，提高塑性变形能力[11-12]，但Mg-Li基合金存在着强度低、热稳定性差等问题[13-15]。因此，本文以Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金为研究对象，通过Li元素的添加，系统研究Li元素含量对其凝固组织及不同Li含量的Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金挤压棒材组织及力学性能的影响，进而对Li元素在Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金中的作用有一个深入的了解，同时对开发高强度、高塑性、低密度的优异高性能镁合金材料具有重要的指导意义。

1 实验过程

实验合金所选用的原材料分别由纯Mg锭(99.95%)、纯Li(99.9%)、Mg-50%Gd(质量分数，下同)中间合金、Mg-50%Y中间合金及Mg-30%Zr中间合金熔配而成。先将称好的Mg-50%Gd和Mg-50%Y稀土中间合金放入铁坩埚中随炉温加热。当温度达到720℃时，稀土中间合金已充分熔化后，将称好的纯Mg锭放入熔体中，保温10 min后对熔体进行充分搅拌。升温至760 ℃后加入Mg-30%Zr中间合金并充分搅拌。熔炼过程在5 kW电阻炉内进行，为防止氧化燃烧，熔炼时采用CO2+SF6混合气体进行保护。

熔体温度降至680 ℃后，将纯Li加入熔体中，降温至660～670 ℃后进行均匀搅拌，静置30 min后将熔体浇注至铁模中得到铸锭。Li的加入量分别按0%、1%、3%和5%加入(化学分析成分分别为：0%、1.4%、3%及4.3%)。

为了对不同Li含量的Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金进行反向挤压研究，将合金铸锭放置于热处理炉内进行均匀化处理，来消除合金材料内部铸造应力、成分偏析、低熔点相和脆性相对材料塑性的不良影响，这里选择300 ℃×24 h的热处理制度对锭坯进行均匀化处理。对均匀化后的锭坯进行反向挤压，挤压速度为 2.3 m/min，挤压比为15∶1，挤压过程采用MoS2进行润滑。为了研究不同Li含量的Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金凝固组织及挤压棒材性能的影响，对不同条件下的试样进行金相观察、SEM形貌观察、EDS分析和拉伸实验。金相观察采用Leica DMR 光学显微镜，SEM 形貌观察和EDS分析采用SSX-50。挤压棒材室温拉伸试验在CNMT5105 拉伸试验机上进行，试样直径和标距分别为6 mm和25 mm，拉伸速度为3 mm/min。

2 结果与分析

2.1 Li含量对GW82K镁合金凝固组织的影响

图1是不同Li含量Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金的凝固组织。从图1中可看出，Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金的晶粒呈六边形，晶粒比较细小，约为45 μm，晶界处有稀土析出物；而添加1.4Li的晶粒明显变大，约为55 μm，可见1.4Li元素的添加可使晶粒粗化。同时，在其晶界处明显析出了较多的稀土析出物，这表明Li元素使稀土元素没有大量固溶进基体中，而是使其在晶界上大量析出；当加入3Li时，合金为蔷薇状组织，但晶粒没有进一步长大，并在a处发现了片状堆积的共晶组织，如图1c所示；当Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金加入4.3Li后，组织由最初的等轴晶转变为粗大的枝晶，并且共晶组织明显增多，见图1d。

图1 Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-xLi 合金微观组织

为了更明确Li元素的添加对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金微观组织结构的影响，对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-xLi合金进行了XRD分析。如图2所示，Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金的XRD分析表明α-Mg占据了主要的强峰，只在30°、34°附近和73°附近发现了高稀土化合物Mg24(Gd,Y)5相的存在，对比加入1.4Li、3Li、4.3Li合金XRD曲线，发现在大于75°后曲线基本相同，表明Li的添加在75°之后没有对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金相产生影响。在20°到30°之间，Mg-8Gd-2Y-0.6Zr在30°附近有一小的峰值，这是添加Li合金所没有的；而在20°到25°之间，在21°附近Mg-8Gd-2Y-0.6Zr没有峰出现，但加1.4Li的合金出现了一个峰值，且随着Li含量的增大，3Li和4.3Li在这一度数的峰值得到了明显强化；在24°Mg-8Gd-2Y-0.6Zr没有峰值，添加1.4Li的合金出现了一个微小的峰值，且在这一度数对应的3Li和4.3Li合金的峰值随Li含量增加而变大。在40°～50°、50°～60°和63°附近都有这种因Li元素的添加而出现的峰值，这表明Li的添加使稀土元素少量固溶进入基体，主要是大量析出，这与2金相组织得出的结论是一致的。经过分析这些峰所对应的相都为Mgx(Gd,Y,Li)y，但具体的元素比重尚不清楚。此外在36°附近添加3Li的合金发现了一个小峰，经分析为β相；在添加4.3Li的合金中，除了36°外，在52°和65°附近也发现了β相的存在。

图3为Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-xLi合金SEM形貌及EDS能谱。从图3中可以看出，当Li含量增大至3%时，组织中共晶相的数量将大量增多，这与图1观察到的结果相一致，这些大量的共晶相势必对合金的力学性能产生较大的影响。对图3组织中晶界上明亮的相进行元素含量检测可知，Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金中相Gd和Y的比近似为5.3；Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-1.4Li合金中相Gd和Y的比近似为5.8；Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-3Li合金中相Gd和Y的比近似为3.3；Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-4.3Li合金中相Gd和Y的比近似为2.6。相中Gd和Y原子比值的改变表明，当添加少量的Li，如1.4Li时，能够促进Gd在晶界的析出，当Li的固溶量增加时，特别是在3Li和4.3Li时，Li能够使Y替代Gd，使得Gd含量有所降低。

图2 Mg-8Gd-2Y-0.6Zr -xLi合金的XRD图谱

2.2 Li含量对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金挤压棒材力学性能的影响

挤压温度的确定应该根据合金的相图、塑性图和再结晶图，选择低于合金的固相线而高于再结晶温度。但对Mg-Li合金情况更加复杂，这是由Mg-Li合金易燃、易腐蚀的性能决定的，镁合金在较高温度下尤其300 ℃以上很容易产生腐蚀氧化。综合考虑以上情况，本实验尝试从200 ℃进行挤压，但针对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr合金和Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-1.4Li合金在200℃和250℃都无法正常挤压的情况，故这两种合金是从300 ℃开始挤压，对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-3Li和Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-4.3Li合金在200～350℃进行挤压。图4为不同温度(300 ℃、350 ℃、400 ℃ 及450 ℃)挤压棒材的力学性能。从图4中可以看出，添加Li导致Mg-8Gd-2Y-0.6Zr挤压态合金伸长率明显降低，但可显著降低挤压温度；少量添加Li(1.4wt.%)时，可实现挤压材料强化且强化效果随挤压温度降低而显著提高，350℃挤压时的抗拉强度最大，为362.5 MPa，而屈服强度和伸长率最小，分别为235 MPa和5.3%；Li添加量增加至3～4wt.%时，伸长率未显著提高但合金严重软化，不过可实现200℃温挤压。

图4 温度对Mg-8Gd-2Y-0.6Zr-xLi合金挤压棒材力学性能的影响

一般来说，较低温度变形时存在不同的变形机理。挤压开始时，变形主要是基面滑移和孪生为主，这也是密排六方金属的典型低温(<150℃)变形形式。此时，存在较多的位错和孪晶，由于低温变形，动态再结晶还没有发生。过快的变形速率容易导致材料在低应变量下发生断裂。同时，挤压变形初期由于位错塞积引起的应力集中也会导致微裂纹的出现。

3 结论

(1)由XRD分析和组织观察表明，在Mg-8Gd-2Y-0.6Zr镁合金中添加较少Li(1.5wt.%左右)时，Li主要固溶在α-Mg中或以Mgx(Gd,Y,Li)y化合物相析出；当提高添加量达到3～4wt.%左右时，随Li量增加，Mgx(Gd,Y,Li)y化合物数量增加且出现β相。

(2)添加Li导致Mg-8Gd-2Y-0.6Zr挤压态合金伸长率明显降低，但可显著降低挤压温度；少量添加Li(1.5wt.%)时，可实现挤压材强化且强化效果随挤压温度降低而显著提高，350 ℃挤压时的抗拉强度最大,为362.5 MPa，而屈服强度和伸长率最小,分别为235 MPa和5.3%；Li添加量增加至3～4wt.%时，伸长率未显著提高但合金严重软化，但是可实现200 ℃温挤压。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)

Effect of Li on microstructures and mechanical properties ofMg-8Gd-2Y-0.6Zr alloys

LIU Song-liang

(Metallarhical Group,Aviation Military Representative Office of Navy in Shenyang,Shenyang 110034,China)

Mg-8Gd-2Y-0.6Zr alloys with different contents of Li were melt,solidified and extruded.The effects of Li content on microstructures and mechanical properties were investigated.The XRD results indicate when Li contents are around 1.5 wt.%,solid solution of α-Mg or Mgx(Gd,Y,Li)yprecipitate forms.When Li contents increase to around 3～4 wt.%,quantities of Mgx(Gd,Y,Li)ycompound increase and β phase gradually precipitated at the same time with increase of Li.Elongation of Mg-8Gd-2Y-0.6Zr extrusion alloy obviously decreases while extrusion temperature decreases by adding Li.Extrusion bars are strengthened and strengthening effect obviously increases with the decrease of extrusion temperature by adding 1.5 wt.% of Li.When extrusion temperature is 350 ℃,tensile strength can reach maximum value of 362.5 MPa,but yield strength and elongation reach maximum values,which are 235 MPa and 5.3% respectively.When Li contents increase to 3～4 wt.%,elongation not obviously increases and alloys severely softened,but alloys can be extruded at 200 ℃.

Mg-8Gd-2Y-0.6Zr alloy;Li content;microstructures;mechanical properties

2017-03-13

刘松良(1979-)，男，山东宁津人，工程师，主要研究方向：冶金质量控制，E-mail：yummywfq@sina.com.cn。

2095-1248(2017)03-0050-06

TG146.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.007